專利名稱：低溫液體氣瓶裝灌系統(tǒng)的制作方法
通常本發(fā)明涉及氣瓶的裝灌，更準(zhǔn)確地說，涉及使用低溫液體使氣瓶裝灌高壓氣體。
裝灌氣體的氣瓶可在許多的用途中得到應(yīng)用。例如，裝灌氧氣的氣瓶可用來向病人分送醫(yī)療用的氧氣。裝灌氬氣的氣瓶可為焊接操作供給作為保護(hù)氣體的氬氣。裝灌氮?dú)獾臍馄靠蔀樵S多惰性應(yīng)用場(chǎng)合供應(yīng)氮?dú)?。裝灌氦氣的氣瓶可用于可膨脹裝置充氦以使其升空。裝灌氫或烴的氣瓶可為燃燒提供該種氣體。裝灌二氧化碳的氣瓶可提供用于飲料碳酸化的二氧化碳。廣泛使用的混合氣體也可由氣瓶供應(yīng)。
氣瓶的尺寸通常是較小的，一般在0.01-2.0立方英尺水容積的范圍內(nèi)，致使它們易于從裝灌站運(yùn)到使用點(diǎn)。一般來說，氣瓶是在集中裝灌站裝灌氣體然后由該裝灌站運(yùn)到使用點(diǎn)。氣瓶用高壓的氣體裝灌，通常超過2000磅/英寸2絕對(duì)壓力(psia)，致使裝入氣瓶的氣體量或質(zhì)量達(dá)到最大值。
在氣瓶裝灌中，當(dāng)氣體自貯存容器流入氣瓶且氣瓶?jī)?nèi)的壓力升高時(shí)，由于氣瓶的體積固定，所以遵循理想氣體定律關(guān)系氣瓶?jī)?nèi)的氣體溫度將要升高。重要的是氣瓶?jī)?nèi)的氣體溫度沒有顯著地超過環(huán)境溫度。如果超過環(huán)境溫度時(shí)，在任何指定壓力下進(jìn)入任何指定氣瓶中的氣體要減少，當(dāng)氣瓶的氣體內(nèi)含物降至環(huán)境溫度，則該氣瓶變得只有部分裝滿，因此從裝灌站輸送到使用點(diǎn)的氣體較之按另處輸送的氣體可能要顯著地少。
為了避免氣瓶裝灌加壓氣體時(shí)的氣瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高問題，專業(yè)人員以慢速裝灌氣瓶，典型的是每分鐘大約100psi，結(jié)果由氣瓶?jī)?nèi)壓力升高引起的熱量增加大致與由氣瓶壁向環(huán)境散失熱量速度相等。這樣，氣瓶?jī)?nèi)含物的溫度不會(huì)顯著地超過環(huán)境溫度。這一操作方式有效地解決了氣瓶部分裝料的問題，但這種方法費(fèi)時(shí)因而昂貴而無效率。
由此本發(fā)明的目的在于提供一種氣瓶裝灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)能以顯著高于至今可能的速度用高壓氣體裝灌氣瓶，但不會(huì)遇到由于氣瓶的氣體內(nèi)含物溫度升至明顯超過環(huán)境溫度產(chǎn)生的溫升問題。
通過本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)上述和其它種種目的，在閱讀本說明書的基礎(chǔ)上這些目的對(duì)所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是明顯的，本發(fā)明的一方面是一種氣瓶裝灌氣體的方法，包括(A)用泵使低溫液體增壓以產(chǎn)生增壓低溫液體；(B)汽化增壓低溫液體的第一部分以產(chǎn)生增壓氣體；(C)使增壓低溫液體的第二部分與增壓氣體混合，再通過與增壓氣體的直接熱交換汽化增壓低溫液體的第二部分以產(chǎn)生可控溫度的增壓氣體；和(D)使可控溫度的增壓氣體通入氣瓶。
本發(fā)明另一方面是氣瓶裝灌氣體的設(shè)備，包括(A)低溫液體儲(chǔ)槽、液體泵和使低溫液體由低溫液體儲(chǔ)槽通入液體泵的裝置；(B)汽化器、使低溫液體由液體泵通入汽化器的入口裝置和使氣體由汽化器流出的出口裝置；(C)分流閥、入口裝置與分流閥之間聯(lián)通的第一通道和分流閥與出口裝置之間聯(lián)通的第二通道；和(D)氣瓶與使氣體從出口裝置通入氣瓶的裝置。
本文所用術(shù)語“低溫液體”指的是溫度為-40°F或低于-40°F的液體。
本文所用術(shù)語“直接熱交換”指的是使兩股液體通過接觸或液體的相互混合進(jìn)行熱交換。
附圖的簡(jiǎn)要描述唯一的附圖是用來圖示本發(fā)明的一種最佳實(shí)施方案的，其中在裝灌站上有許多氣瓶通過岐管同時(shí)被裝灌。
將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。現(xiàn)在參見附圖，低溫液體儲(chǔ)槽1含有低溫液體20。在能用于實(shí)施本發(fā)明的低溫液體中，可以舉出氧、氮、氬、氦、二氧化碳、氫、甲烷、天然氣及其兩種或兩種以上的混合物。
當(dāng)氣瓶按要求裝灌時(shí)，使一個(gè)或多個(gè)氣瓶21通過裝料管線22與裝料臺(tái)架或岐管4連接。附圖中所說明的本發(fā)明實(shí)施方案表明4個(gè)與岐管4連接準(zhǔn)備好裝灌的這樣的氣瓶。還表明第二排4個(gè)連接的氣瓶用于裝料。在實(shí)際實(shí)施過程中，當(dāng)?shù)谝慌偶恿蠒r(shí)第二排已連接用泵5抽空。第一排氣瓶裝完后，通過關(guān)閉適當(dāng)?shù)拈y門停止氣體流入這些氣瓶，然后通過開啟適當(dāng)?shù)拈y門開始?xì)怏w流入第二排的氣瓶。當(dāng)?shù)诙诺臍馄垦b灌時(shí)，切斷第一排已裝完的氣瓶并準(zhǔn)備好裝運(yùn)到使用點(diǎn)，再把空瓶接到岐管上，為的是在第二排氣瓶完成裝料后裝料。重復(fù)該程序直到所有要求數(shù)目的氣瓶都裝灌完。附圖表明每排有4個(gè)與岐管連接的氣瓶。在實(shí)施本發(fā)明的過程中，以多份排列的形式可使1到數(shù)百個(gè)氣瓶同時(shí)裝灌。附圖還表明在一條裝料管線22上使用閥10，用于通過管道23轉(zhuǎn)移氣體至分析器11，監(jiān)測(cè)裝入氣瓶(多個(gè))氣體的純度。
通過低溫液體泵2經(jīng)閥25用管線24從低溫液體儲(chǔ)槽1排出低溫液體，泵2可使低溫液體增壓，至一般范圍在1000-10000psia內(nèi)。低溫液體泵2抽出的增壓低溫液體26分成第一部分27和第二部分28。第一部分27含增壓低溫液體26至少60％而第二部分28最高含增壓低溫液體26的40％。
汽化器3具有與低溫液體泵2聯(lián)通的入口，借此低溫液體可從低溫液體泵2流入汽化器3中，還具有出口，借此氣體從汽化器3流出。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，任何適當(dāng)?shù)钠?，如蒸汽加熱的或電加熱的汽化器都可以使用。?yōu)選汽化器是Vogler等人的美國(guó)專利4,399,660中描述和請(qǐng)求保護(hù)的需壓汽化器。在汽化器3中，使增壓低溫液體的第一部分27汽化以便產(chǎn)生能從汽化器3出口內(nèi)放出的增壓氣體29。
增壓低溫液體的第二部分28繞過汽化器3。分流閥6具有與汽化器入口聯(lián)通的第一通道，借此第二部分28流入分流閥6，還具有第二通道，借此第二部分的低溫液體以液流30的形式從分流閥6流入汽化器出口以便與增壓氣體混合。由增壓氣體產(chǎn)生的熱量通過直接熱交換汽化增壓低溫液體的第二部分，由此產(chǎn)生處于適合快速裝灌氣瓶(或多個(gè)氣瓶)21所要求溫度的可控溫度增壓氣體31。可控溫度增壓氣體31的溫度優(yōu)選范圍在-40°F到-90°F?？煽販囟仍鰤簹怏w的溫度通過控制分流閥6呈現(xiàn)更大開啟或更大關(guān)閉位置狀態(tài)，由此改變形成第二部分28的部分增壓低溫液體而得以保持在所要求的范圍內(nèi)。
可控溫度增壓氣體31再進(jìn)入氣瓶(或多個(gè)氣瓶)21中。由于進(jìn)入氣瓶(或多個(gè)氣瓶)21中的氣體的可控低溫，所以氣體能以很高的速度，通常為每分鐘200-500psi進(jìn)入氣瓶，這種速度對(duì)比沒有遇到氣瓶(或多個(gè)氣瓶)內(nèi)溫度超過環(huán)境溫度的常規(guī)情況下可能的速度要快兩倍或更多倍。灌氣氣瓶(或多個(gè)氣瓶)的氣體內(nèi)含物最終壓力一般范圍在1000-10000psia，而溫度范圍在60°F-90°F，即只約為環(huán)境的溫度。在實(shí)施本發(fā)明的情況下，花費(fèi)在氣瓶裝灌的時(shí)間僅為常規(guī)情況下的一半。當(dāng)裝灌氣瓶(或多個(gè)氣瓶)時(shí)，如前所述是把氣瓶(或多個(gè)氣瓶)與岐管裝置切斷后準(zhǔn)備好裝運(yùn)到使用點(diǎn)的。
本發(fā)明的氣瓶裝灌系統(tǒng)能進(jìn)一步提高以保證氣瓶裝灌的準(zhǔn)確性。按照慣例對(duì)照氣瓶與其它氣瓶一起同時(shí)裝灌并監(jiān)測(cè)對(duì)照氣瓶?jī)?nèi)含物的溫度和壓力。當(dāng)對(duì)照氣瓶?jī)?nèi)含物的溫度和壓力表明該對(duì)照氣瓶裝灌得合適時(shí)，關(guān)掉進(jìn)入所有氣瓶中的氣流，因?yàn)檫@一點(diǎn)表明所有的氣瓶均已裝滿。盡管溫度和壓力的監(jiān)測(cè)能提供合理的準(zhǔn)確性，但溫度和壓力僅為氣瓶?jī)?nèi)含物的第二指標(biāo)。第一指標(biāo)是氣瓶氣體內(nèi)含物的質(zhì)量，這對(duì)于氣瓶?jī)?nèi)含物的監(jiān)測(cè)來說是潛在更準(zhǔn)確的參數(shù)。本發(fā)明的氣瓶裝灌系統(tǒng)使用附圖所說明的質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
現(xiàn)再次參照


安置在秤8上的氣瓶7。為了保證對(duì)照氣瓶7的起始溫度與裝灌循環(huán)結(jié)束時(shí)的產(chǎn)品氣瓶(或多個(gè)氣瓶)21相同，安裝了轉(zhuǎn)向熱交換器9，用來加熱進(jìn)入先前循環(huán)后抽空的對(duì)照氣瓶7的氣體。
操作時(shí)，由于可控溫度增壓氣體從岐管4流入產(chǎn)品氣瓶21，所以它也可以經(jīng)由閥門32和33流入對(duì)照氣瓶7。氣瓶21的裝灌通過程序控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12可自動(dòng)化控制。借助于接線34通過系統(tǒng)12監(jiān)測(cè)由秤8讀出的重量而且當(dāng)該讀數(shù)指示對(duì)照氣瓶7已裝滿氣體時(shí)，系統(tǒng)12向第一排發(fā)出入口閥35關(guān)閉和向第二排發(fā)出入口閥37開啟，開始下一個(gè)裝灌循環(huán)的信號(hào)。
通過使用本發(fā)明的低溫液體氣瓶裝灌系統(tǒng)，其中采取如下所述步驟生產(chǎn)適于氣瓶裝灌的加壓氣體，該步驟在所述氣體裝進(jìn)產(chǎn)品氣瓶(或多個(gè)氣瓶)之前同時(shí)控制氣體的溫度以達(dá)到預(yù)定很低的溫度，這樣使氣瓶裝灌操作能在較迄今為止可能的速度快得多的速度下進(jìn)行，結(jié)果提高了效率且降低了氣瓶裝灌程序的成本。
盡管參照了某些最佳實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)還存在著本發(fā)明其他的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1．一種氣瓶裝灌氣體的方法，包括(A)用泵使低溫液體增壓以產(chǎn)生增壓低溫液體；(B)汽化增壓低溫液體的第一部分以產(chǎn)生增壓氣體；(C)使增壓低溫液體的第二部分與增壓氣體混合，再通過與增壓氣體的直接熱交換汽化增壓低溫液體的第二部分，以產(chǎn)生可控溫度的增壓氣體；和(D)使可控溫度的增壓氣體流進(jìn)氣瓶。
2．權(quán)利要求1所述的方法，其中第一部分包含至少60％的增壓低溫液體和第二部分包含最高達(dá)40％的增壓低溫液體。
3．權(quán)利要求1所述的方法，其中可控溫度的增壓氣體的溫度范圍為-40°F--90°F。
4．權(quán)利要求1所述的方法，其中可控溫度的增壓氣體同時(shí)流入多個(gè)氣瓶中。
5．權(quán)利要求1所述的方法，其中可控溫度的增壓氣體以每分鐘200-500psi的裝料速度流入氣瓶。
6．權(quán)利要求1所述的方法，其中低溫液體包括氧、氮、氬、氦、氫、甲烷和二氧化碳中的一種或多種。
7．用于氣瓶裝灌氣體的設(shè)備，包括(A)低溫液體儲(chǔ)槽、液體泵和使來自低溫液體儲(chǔ)槽的低溫液體流入液體泵的裝置；(B)汽化器、使來自液體泵的低溫液體流入汽化器的入口裝置和使氣體由汽化器流出用的出口裝置；(C)分流閥、入口裝置與分流閥之間聯(lián)通的第一通道和分流閥與出口裝置之間聯(lián)通的第二通道；和(D)氣瓶和使來自出口裝置的氣體流入氣瓶的裝置。
8．權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中使來自出口裝置的氣體流入氣瓶的裝置包括能使氣體從出口裝置出來同時(shí)流入多個(gè)氣瓶的岐管。
9．權(quán)利要求8所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括秤上的對(duì)照氣瓶、用于氣體由岐管流向?qū)φ諝馄康难b置、與對(duì)照氣瓶保持流量聯(lián)系的軸向熱交換器和與秤有電聯(lián)系的程序控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
10．權(quán)利要求8所述設(shè)備，選一步包括氣體分析器和供氣體從岐管流入氣體分析器的裝置。
全文摘要
一方面可避免氣瓶?jī)?nèi)含物超過環(huán)境溫度的偏移同時(shí)又適合氣瓶迅速裝灌氣體的系統(tǒng),其中氣瓶裝料氣體的產(chǎn)生是通過汽化與增壓氣體混合的增壓低溫液體以便同時(shí)在一個(gè)步驟中產(chǎn)生裝料氣體和控制裝料氣體的溫度達(dá)到啟動(dòng)隨后迅速裝灌的速度。
文檔編號(hào)F17C5/06GK1225435SQ9910174
公開日1999年8月11日 申請(qǐng)日期1999年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月3日
發(fā)明者J·諾塔羅, 小E·S·貝金豪森, T·E·德布里埃, B·H·達(dá)維森 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司